Pontos sejtelemzés a FAULHABER segítségével

Melyik gyógyszer képes legyőzni a rákot? Milyen dózissal érhető el a kívánt eredmény mellékhatások nélkül? Milyen határon túl válik mérgezővé egy hasznos gyógyszer? Ma ezekre a kérdésekre a sejttenyészeteken végzett tesztsorozatok adnak választ, amik az orvosi kutatások legfontosabb eljárásai közé tartoznak.

Az életképesség határa

Életmentés, betegségek gyógyítása, a tünetek enyhítése – a modern gyógyszerek milliószor teszik meg ezt nap mint nap. De messze vagyunk attól, hogy minden panaszra legyen gyógyszer. Sőt, a koronavírus tudatosította bennünk, hogy folyamatosan jelennek meg új betegségek a már ismertek mellett. Új gyógyszerekre tehát állandóan szükség van, és a fejlesztésük is folyamatos. Ezeknek a gyógyszereknek természetesen hatékonynak és biztonságosnak kell lenniük – ideális esetben még azelőtt, hogy embereken tesztelnék azokat. Ez az utolsó szakasz – a klinikai vizsgálati fázis – elengedhetetlen. Egy gyógyszeripari termékek hatásáról azonban már a laboratóriumban is sokat meg lehet tudni, mivel ez a hatás nagyrészt az emberi test sejtjeiben bontakozik ki. Ezért egy sejttenyészet is helyettesítheti a gyógyszer „élesben történő” kipróbálását.

„Meghatározhatjuk például azt a határértéket, amely felett egy anyag mérgezővé válik a sejtekre nézve – magyarázza Nagy Márton, a müncheni INCYTOИ ® vállalat biotechnológiai fejlesztője. – Ez nemcsak a gyógyszerekre vonatkozik, hanem például a lehetséges környezeti toxinokra is. A tenyészetet tartalmazó tápoldatba egy bizonyos mennyiségű anyagot helyezünk és figyeljük a sejtek reakcióját. A mennyiséget ezután növeljük. Egyes mérési adatok és a mikroszkóppal végzett optikai monitorozás alapján meghatározhatjuk azt a pontot, ami a sejtek szempontjából kritikussá válik. Ez az érték átszámítható az ember testtömegére. A gyakorlatban a dózis megengedett határértékét általában ennek a kritikus értéknek a töredékeként határozzák meg.” Egy gyógyszerészeti kutatás során sok tesztet végeznek rákos sejtek felhasználásával. Ezeknél a sejteknél azonban fordított a cél: itt azt kell meghatározni, hogy melyik gyógyszer milyen mennyiségben gátolja a szaporodást, vagy pusztítja el teljesen a rákos sejteket.

A sejtek megfigyelése egy többrétegű és mindenekelőtt viszonylag időigényes folyamat. Egyetlen vizsgálat átlagosan körülbelül három napot vesz igénybe. Ebben az időszakban számos egyedi mérést hajtanak végre, és a sejteket rövid időközönként ismételten lefényképezik. A képsorozatok összevonhatók, és így létrehozható egy time-lapse film, amely bemutatja a sejtnövekedés menetét. Három fizikai mennyiséget vizsgálnak a mérések során: oxigéntartalom, pH-érték, illetve a sejtréteg elektromos ellenállása.

A fizikai mennyiségekből kinyert információ

Ezen mennyiségek értékét a sejtek metabolizmusa befolyásolja. Egészséges állapotban például a sejtek több oxigént fogyasztanak, mint amikor már egy bevezetett gyógyszer (mellék)hatása érződik rajtuk. A pH-érték hasonló módon viselkedik: mivel a sejtek anyagcseréje savas anyagokat eredményez, a pH-érték általában a savas tartományba esik. Ha ez csekélyebb mértékben van jelen, akkor az anyagcsere serült. Az eltérés mértéke utal a gyógyszer hatására. Az elektromos ellenállás (impedancia) viszont a sejtek számának növekedésével erősödik. Egy késleltetett növekedés pedig kimutatja, hogy a sejteket milyen erős befolyás érte.

Mindeddig az ilyen tesztsorozatok nagyon sok manuális munkát igényeltek. A különféle lépéseket csak részben lehetett automatizálni. A CYRIS ®FLOX segítségével az INCYTOИ ® egy teljesen automatikus eszközt hozott létre, amely emberi beavatkozás nélkül végzi el a többnapos tesztfutást, és az eredményeket teljes mértékben dokumentálni is képes.

A tesztelrendezés középpontjában egy átlátszó anyagból készült mikrotitráló lemez áll, amely 24 üreggel vagy tesztkamrával rendelkezik. Ezek úgy tartják a sejtmintákat, mint a miniatűr Petri-csészék. A robotkaron lévő 24 pipetta a kis kultúrákat tápoldattal látja el, ezenkívül a vizsgálandó anyagokat is adagolja. Ennek során minden pipettához különböző oldalösszetétel választható. Minden tesztkamrában érzékelők mérik az oxigéntartalmat, a pH-értéket és az elektromos ellenállást. Az egyes tesztkamrákat alulról, egy mikroszkóp lencsén keresztül rendszeres időközönként lefényképezik.

Fejlesztés az automatizáláshoz

Az INCYTOИ ® egy akadémiai gyökerekkel rendelkező start-up vállalkozás. A társaság alapítói korábban egyetemi kutatásokban vettek részt, ahol más gyártók motorjait használták készülékük kezdeti prototípusaihoz. Ezek nem bizonyultak megfelelőnek, így később a FAULHABER modelljeivel helyettesítették azokat. A kompakt kialakítás és a megbízhatóság meggyőzőnek bizonyult. Amikor a sorozatgyártásra szánt rendszer továbbfejlesztésére került sor, nem kellett új hajtástechnikai beszállítót keresni. Ezen a területen azonban új célokat határoztak meg: „A lehető legkevesebb különböző motorral akartunk dolgozni – mondja Matthias Moll, a fejlesztés vezetője a kiinduló helyzetet ismertetve. – A vezetékezésben is szerettünk volna egy egyszerűbb elrendezést elérni. Olyan meghajtót kerestünk, amelybe már beépítették az elektronikát. Korábban az a robotkar vezérlő elemében kapott helyet, ami azt jelentette, hogy egy mozgó elemben sok kábelcsatlakozásra volt szükség.” Ezenkívül a motoroknak képesnek kell lenniük a hibák jelentésére, például ha a túlmelegedés mechanikai elzáródást okoz, vagy azzal fenyeget.

A CxD sorozat integrált mozgásvezérlőjével kombinálva a 2232…BX4 kefe nélküli szervomotor megfelel az INCYTOИ® technikusainak – a rendkívül kompakt kialakítás és nagy teljesítmény, az alacsony súly és térfogat, valamint a laboratóriumi használhatóság minden új és meglévő követelménynek megfelel. A CYRIS ®FLOX elemző készülékbe hat motort építettek be. Ezek közül három a pipettázó fejet mozgatja három tengelyen a robotkarban. Ezek felelnek a pipetták pontos mozgatásáért a mikrotiter próbakamrák felett, valamint az oldat közvetlenül a kamrák felett történő kieresztéséért. A negyedik motor 24 szívódugattyút hajt meg, amelyek steril pipettahegyekben 200 μl táptalajt szállítanak. A mikroszkópot a sejtminták alatt egy XY asztalon két motor mozgatja. Az egyes tesztkamrák fényképeit alulról készítik el a mikrotiter lemezek átlátszó anyagán keresztül.

Pontosság és megbízhatóság folyamatos működés alatt

„Annak érdekében, hogy a time lapse segítségével később nyomon lehessen követni az egyes sejtek fejlődését, a lencsének mindig pontosan ugyanabban a pozícióban kell lennie a tesztkamra alatt – mondja magyarázatképpen Matthias Moll. – A FAULHABER motorok segítségével az asztalt két mikrométeres távolságon belül, pontosan pozícionálhatjuk.” Összehasonlításképpen: az emberi haj vastagsága 50 és 70 mikrométer között van. A pipettafej dugattyúit hajtó motornak szintén nagyon pontosan kell működnie. Csak akkor hozhatók létre érvényes vizsgálati eredmények, ha a folyadék mennyisége pontosan megfelel a specifikációnak.

A CYRIS ®FLOX rendszerekben a pontosság fenntartása folyamatos feladat. A pontos mozgás kulcsa a megismételhetőség, amit a tesztnapokon ismételten, rövid időközönként, eltérés nélkül kell elvégezni. „A lehető legnagyobb megbízhatóságot várjuk el a meghajtásoktól a folyamatos működés során – hangsúlyozza a fejlesztési vezető. – Csak ezután teremtjük meg a feltételeket egy hosszú műveletre. A laboratóriumi automatizálás világában így nevezzük azt az időt, ami alatt egy teszt emberi beavatkozás nélkül is futhat. A CYRIS ®FLOX segítségével ez az idő néhány percről órákra vagy napokra hosszabbítható meg. A magasan képzett tudósok és laboratóriumi technikusok időközben más munkát is végezhetnek. A laboratóriumi műveletek hatékonysága így megnő, a működési költségek csökkennek, és a beruházás gyorsan megtérül.”

FAULHABER